基于LabVIEW的IGBT数据采集与处理系统设计与研究

孙小霞

(景德镇学院，江西 景德镇 333400)

0 引言

IGBT模组是变频器中最重要的组成部分，而IGBT模组的品质也是变频器产品质量的重要保障。目前，由于无质量检测体系，不少企业都无法对生产的IGBT模组进行检验筛选，从而导致有品质风险的IGBT模组进入产品中，为变频器产品质量埋下了风险，并且还会出现回工浪费等现象。为解答此难题，笔者研发和建立了一个基于LabVIEW的智能IGBT模块检测系统。本文着重介绍了检测系统的总体设计方式、硬件设计方案、软件设计方法等[1]。

1 LabVIEW概述

LabVIEW与C、BASIC相似，是通用程序设计系统。这个系统不但包含一个强大的能实现所有程序设计功能的函数库，而且还包含一种程序设计的方法，包括停机点的设计、单步的操作和使用动画的方法来实现其子程序结构和结果的表示等。LabVIEW通过图标来代表文本行，并由此来实现应用程序图形化。相对于一般的文字编程语言来说，LabVIEW使用的是一个数据流编程方式。其虚拟仪器和变量之间的具体进行次序，主要依赖程序框图上各个结点之间信息的流向。

2 总体设计

设定U、L、T1、T2、T3的电压高低，可使流经下桥臂IGBT模组的额定电压在第一个脉动则闭一刻到达最大额定容量，在第二个脉动则闭一刻达到最大二倍的额定容量。技术人员可以根据模组在额定工作电压下能否透过一倍或者二倍以上的电压，来确定其电力特性是否正常。控制系统主要由差分探头、数据采集模块、连接板、平板显示器等构成。差分探头可以使高电流的信息减少，进而采集数据信息。数据采集模块由差分探头提供的模拟输入讯号加以调理，之后再经由高速A/D交换器变更为数码讯号贮藏于内存中，并经由USB接口发送至平板计算机。平板计算机是管理系统的基础，同时又是人机交互接口。平板计算机收集操作员提供数据，并对数据进行统计分析，根据分析结果产生测量所需要的控制指令发送给接口板的打印机，提供测量数据。检测过程中，技术人员通过平板计算机读取数据测量系统的状态信息，并记录数据。系统获得接触器的触点情况和IGBT的数据并进行分析。异常时，系统进行故障指示[2]。

3 硬件设计

系统硬件框架如图1所示。该操作系统硬件部门一般是由两个部门所组成，即NI数据采集卡和上位机。中上位机为主控电脑，是硬件部门平台中心，其最重要的工作是对整套系统实施集中式管理，并通过各种操作的控制方式将控制指令发送至数据采集卡，进而运算和处理数据并显示结果。系统借助电脑图像显示技术及其对多媒体的运用，将复杂数据处理的运算和数据处理工作推至后台进行。系统采用图像、数值和曲线等表现形式，将测控成果提交给终端用户。数据采集卡最重要的工作是预处理被测用户提供的所有信息，它一般包括信息的收集、D/A与A/D中间的切换和信息的释放，还有调离信息的能力。本文所设置的这一操作系统中，使用的数据采集卡是NI6251，此牌可以与LabVIEW系统融合，实现更高效的联网。

图1 系统硬件框架

系统硬件的设计主要包括：进入为16路模拟量，而输出则为二路模拟量和24路的DI0口，其模拟输入的区域为固定范围，并且其数据分辨率为16位数，并且所提供的额定电流误差区域为固定范围，并且其连续取样的速度为1.25 ms/s。在该操作系统中，当外部的信源产生待测电压和电流等原始信息时，这种待测信息将会被连接在数据采集卡中相应的各硬件通路上，并利用数据采集卡中信号处理集成电路模组进行数据分析，然后再利用PCI总线输出端口将其传输到上位机，而上位机也将利用LabVIEW呈现输入信号的波形，从而解析进入信息统计结果，最后通过对传统示波器呈现用户界面的模仿，更加直接地将最终信息结果呈现给使用者[3]。

3.1 单片机系统设计

单片机控制系统与平板计算机实现通信会产生双输出波形，同时对接触器、闸极电阻切换回路实现监控，并将检测设备的运行数据发送至平板计算机。4回路的外部数字量输入信息依次是上桥触碰器返还点、下桥触碰器返还点、电感触碰器返还点和限位开关信息。

3.2 软件设计

该系统部分由主控部分和从机部分构成，其主控部分采用平板计算机，软件采取LabVIEW程序，从机部分采用中国自制造的连接板，主与从机间使用串口、并使用国际标准的Modbus RTU网络以实现信息传输。

3.3 主机设计

3.3.1 主机功能

计算机在启动时，就可以对整个测量流程进行模块设置、数据显示、指令运算、故障告警以及读取直流母开通电流、Vce和Ic的波形信息，而直流母开通电流以及Vce和Ic的测量则采用示波器实现。在测试过程中，若需要保留服务器图像画面数据，可通过点击“保留图像画面”的按键实现。

3.3.2 主机工作流程

计算机上电后，控制系统会进入调试显示屏。透过该显示屏，人们能够选择被检查控制系统的规格型号、检测电流、调整试验桥臂，并且改变试验的脉冲频率。在选择成功后，技术人员能够透过单击显示屏上的“启动”按键发出启动指示，通过USB接口发出指示命令，控制从机操作，采集数据发出IGBT双触发脉冲。在检查图像时，屏幕还能够显示系统技术参数、失效情况、直流母线压力、Vce和/c的波形等。调试完毕后，技术人员能够透过单击显示屏上的“释放”按键实现控制系统的释放，以泄放检查控制系统中所有高压部件上的残余电流，防止在检查控制系统结束或收工时发生触电事件。在检测程序中，技术人员还能够透过直接单击图像上的“存储图像”按键存储检测数据和Vce、Ic的波动图[4]。

3.4 从机设计

3.4.1 从机功能

按照主机发出的相应参数和命令，从机进行接触器、继电器等的动作，发出一定长度的双脉冲时间，并检测IGBT返回的故障状态信号，并上报主机显示。控制系统设计人员以即时反应快和运行效率高为准则，并以管理运行多任务工作为目的，研制出一个即时多任务工作管理系统，包括两个功能：(1)核心功能，负责发出双脉冲时间。(2)保护功能，承担检测上桥及下桥的故障状态信息，有故障情况时会停发触发脉冲。

3.4.2 从机工作流程

在上电后，从机先完成整个系统寄存器、数据寄存器等的初始化操作，接着按照主机发出的相应参数和命令完成各个主功能模块的初始化动作，并同时进行各种接触器、电源等的动作控制，结束开启定时器，并启动完成整个系统维护操作、操作系统内核操作和应用功能控制。对于整个系统维护操作控制器，从机完成上桥臂和下桥臂的故障检查操作，有重大问题及时提醒控制系统中心操作控制器停发触发脉冲。系统内核操作控制器完成双触发脉冲的生成和收发控制操作，并负责IGBT的导通和关断。系统应用功能管理模块一般采用平板计算机的RS232通信，收集并管理DI、DO的信息。

(1)数据采集。

系统的软件部分主要包含：信息收集、统计分析、信息展示和资料保存等。该技术的信息采集过程一般包括两个方式，即数据采集和有限数据采集。在开始信息的采集前，技术人员应将所有的参数初始化，并利用NI数据采集卡的内部模拟数据通道信息来实现对外部模拟信号的输入，而信息采样后则通过无线取样或有线取样来实现通道信息的采集。所采集的这些信息都将存入内存缓冲区域待保存和使用。该系统的读取、保存、输入和输出等工作都是利用LabVIEW进行的，在系统自身输出法和输入法结构的基础之上收集信息。待操作系统处理了上述输入信息之后，系统就会产生相应的输入、输出信息，然后再对这部分信息加以提取与分类。在该系列中，对于所有使用了PCI这一总线形式的数据采集卡，通过LabVIEW安装了可以进行对各种卡之间的通道配置参数构建的设备配置工具，如MAX。该工具的主要功用就是对设备管理器上的所有信息进行读写，并且可以为每一种DAQ卡进行设备编号的分配和编辑。这一设备编号方便LabVIEW选择设备，并读写所有信息。LabVIEW调用数据采集卡，以收集数据。

当被检测的这些测信号连接至与数据采集板卡相对应的硬件通路上之后，由数据采集卡内置的这一信号来完成对电路的调理，并通过端口传输至数据总线上。当数据采集卡进行信号的调理之后，信息就可以在电脑内部完成处理。用户测试应用程序，可利用LabVIEW中的MAX工具来完成访问、分配和信息的读写任务。在进行分配之后，DAQmx读和写数据。系统利用用户测试应用程序来进行信息解析、数据读写以及信息的展示等。

该技术收集信息使用的是顺序方式，即在系统中，用户可以通过应用程序前的面板选取被测信息类型，根据系统的情况选定类别，数据采集系统会选择对应的取样和信息调理方法进行信息的收集。

(2)数据分析。

在设计流程中，若采样信号是脉冲信号，则该信息的占空比约为10%，并且其周期约为1 ms。在测试的阶段，技术人员需要在初始供电电压信号进行50 Hz噪声的引入以及在单板进行EMI的布局等。当完成了这些动作之后，技术人员发现前二者导致所测量的数值出现异常。针对这些情形，技术人员应及时进行异常值的数据处理，需要尽量地在技术和物理方面找出病因，并经过数据分析和评估后，把异常值数据全部去除。

在显示数据前，首先使用比较舍弃法分解采样数据，然后把数据处理中的较大差错全部清除，最后使用平均值法处理平滑数据。比较舍弃法是一种程序判断法，就是在检测结果中，在个别数值之间存在着较大差异的时候，使用这种方法把个别或偶然产生的错误数值全部去除。

(3)数据显示。

如图2所示，对在LabVIEW中收集到的波形和信息，系统可以按照使用者的具体要求进行保存、展示和播放，在LabVIEW上，特别是在应用程式前面板上完成检测精度、测量方式和检测时间等的设置，同时完成信息采集卡常数的设定与管理，然后利用此牌将所收集和分析出来的信息发送到前面板上进行展示，再将数据存放到电脑中。当信息呈现波浪形的时候，还可以利用球形把手位置的改变，实现信息显示时基、垂直增益等的变化。

图2 LabVIEW数据显示

4 结语

基于LabVIEW设计的IGBT模块检测控制系统，平板计算机是控制系统的核心，完成了人机对话、逻辑控制器、检测资料显示记录和存储等功能。对IGBT模块的实地检测证明，本IGBT模块检测体系的所有技术指标都满足产品设计要求，可以对IGBT模块进行合理的检验筛选，从而避免有产品质量隐患的IGBT模块进入工厂生产环节，改善自动化变频器品质，解决了返工和浪费等问题。